Technisch-wirtschaftlicher Vergleich eines Gasmotors

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FACHHOCHSCHUL-BACHELORSTUDIENGANG
Bio- und Umwelttechnik
Technisch-wirtschaftlicher Vergleich eines
Gasmotors mit einer Mikrogasturbine
ALS BACHELORARBEIT EINGEREICHT
zur Erlangung des akademischen Grades
Bachelor of Science in Engineering
von
Roman Lugmayr
Jänner 2010
Betreuung der Bachelorarbeit durch
DI Harald Bala MSc
Campus Wels
Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe
verfasst, andere als die angegebenen Quellen
nicht benutzt, die den benutzten Quellen entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht
habe und dass diese Arbeit mit der vom Begutachter beurteilten Arbeit übereinstimmt.
Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher
Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt
und auch nicht veröffentlicht.
....................................................................
Roman Lugmayr
Wels, 29.01.2010
I
Technisch-wirtschaftlicher Vergleich eines Gasmotors mit einer Mikrogasturbine
KURZFASSUNG
In österreichischen Biogasanlagen werden bisher ausschließlich Gasmotoren zur Bereitstellung von Energie und Wärme verwendet. In dieser Arbeit wird der Gasmotor
mit einer neuen Technologie, nämlich der Mikrogasturbine, verglichen. Dazu wurde je
ein Angebot als Basis für den Vergleich herangezogen und die jeweiligen Stärken
und Schwächen wurden ermittelt. Dabei ergab sich, dass der Gasmotor einen höheren elektrischen Wirkungsgrad sowie niedrigere spezifische Investitionskosten hat.
Die Mikrogasturbine zeichnet sich vor allem durch ihre niedrige Mindestgasqualität,
eine lange Lebensdauer und niedrige Betriebs- und Wartungskosten aus. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Mikrogasturbine zukünftig eine gute Alternative zum Gasmotor sein wird.
ABSTRACT
In Austrian biogas plants the gas engine is mainly used to provide energy and power.
In this thesis the gas engine is compared with a new technology called microturbine.
The basis for the comparison was an offer of two enterprises and, according to this
data, the strengths and weaknesses were determined. The results were that the gas
engine has a higher electrical efficiency and lower specific investment costs. The advantages of the microturbine are a lower minimum gas quality, a long life and lower
operating and maintenance costs. Based on this results it can be assumed, that in
the future the microturbine will be a good alternative to the gas engine.
-II-
INHALTSVERZEICHNIS
1
2
EINLEITUNG ........................................................................................................ 1
1.1
Ziele............................................................................................................... 1
1.2
Nicht-Ziele ..................................................................................................... 1
THEORETISCHE GRUNDLAGEN ....................................................................... 2
2.1
Biogas ........................................................................................................... 2
2.1.1
Allgemeines ............................................................................................ 2
2.1.2
Entstehung von Biogas ........................................................................... 2
2.1.3
Zusammensetzung von Biogas............................................................... 3
2.1.4
Substrate für Biogasanlagen................................................................... 4
2.1.5
Biogas-Qualitätsparameter ..................................................................... 5
2.1.5.1
Heizwert-Brennwert .......................................................................... 5
2.1.5.2
Gemischheizwert .............................................................................. 5
2.1.5.3
Methanzahl (MZ) .............................................................................. 5
2.1.5.4
Zündgrenze ...................................................................................... 5
2.1.5.5
Laminare Flammengeschwindigkeit ................................................. 5
2.1.6
2.2
Biogasanforderungen.............................................................................. 6
Blockheizkraftwerke (BHKW) ........................................................................ 7
2.2.1
Allgemeines ............................................................................................ 7
2.2.2
Funktionsprinzip...................................................................................... 7
2.2.3
Energiebilanz eines Blockheizkraftwerkes .............................................. 9
2.2.4
Wirtschaftlichkeitsfaktoren .................................................................... 10
2.2.5
Blockheizkraftwerkarten ........................................................................ 11
-III-
2.3
2.3.1
Geschichte ............................................................................................ 12
2.3.2
Aufbau .................................................................................................. 12
2.3.3
Funktion ................................................................................................ 13
2.3.4
Ottomotor .............................................................................................. 14
2.3.5
Zündstrahlmotor.................................................................................... 15
2.3.6
Vergleich Ottomotor – Zündstrahlmotor....................................................... 16
2.4
Mikrogasturbine ........................................................................................... 17
2.4.1
Geschichte der Gasturbine ................................................................... 17
2.4.2
Aufbau .................................................................................................. 18
2.4.3
Funktion ................................................................................................ 19
2.4.4
Hersteller............................................................................................... 20
2.5
3
Gasmotor..................................................................................................... 12
Abgasemissionen ........................................................................................ 21
2.5.1
Emissionsgrenzwerte in Deutschland ................................................... 22
2.5.2
Emissionsgrenzwerte in Österreich....................................................... 23
Vergleich Gasmotor – Mikrogasturbine............................................................... 24
3.1
Technischer Vergleich ................................................................................. 24
3.1.1
Motor-Abmessungen............................................................................. 24
3.1.2
BHKW-Fläche ....................................................................................... 24
3.1.3
Gesamtfläche........................................................................................ 24
3.1.4
Gewicht ................................................................................................. 24
3.1.5
Aufstellungsart ...................................................................................... 25
3.1.6
Gemischkühler ...................................................................................... 25
3.1.7
Notkühler............................................................................................... 25
3.1.8
Vordruck am Gaseintritt ........................................................................ 25
3.1.9
Elektrischer Wirkungsgrad .................................................................... 26
3.1.10
Thermischer Wirkungsgrad ................................................................... 27
-IV-
3.1.11
Gesamtwirkungsgrad ............................................................................ 28
3.1.12
Teillastverhalten.................................................................................... 29
3.1.13
Mindestgasqualität ................................................................................ 29
3.1.14
Spezifischer Kraftstoffverbrauch ........................................................... 30
3.1.15
Füllmenge Öl......................................................................................... 30
3.1.16
Schmierölverbrauch .............................................................................. 30
3.1.17
Benötigte Verbrennungsluftmenge........................................................ 30
3.1.18
Abgasemissionen und Abgasmassenstrom .......................................... 31
3.1.19
Abgasmassenstrom .............................................................................. 32
3.1.20
Abgastemperatur .................................................................................. 33
3.1.21
Schallemissionen .................................................................................. 33
3.1.22
Warmwasserkreislauf............................................................................ 32
3.1.23
Erfahrung mit Biogas....................................................................................... 33
3.2
Wirtschaftlicher Vergleich ............................................................................ 34
3.2.1
Anschaffungskosten Blockheizkraftwerk ............................................... 34
3.2.2
Gesamtinvestitionskosten ..................................................................... 35
3.2.3
Wartungsintervalle ................................................................................ 36
3.2.4
Vollwartungskosten............................................................................... 36
3.3
Zusammenfassung ...................................................................................... 37
3.4
Stärken-Schwächen-Katalog ....................................................................... 38
4
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK .......................................................... 39
5
LITERATUR........................................................................................................ 40
-V-
1
EINLEITUNG
In unserer heutigen Zeit ist die effektive Herstellung und Nutzung von Energie von
großer Bedeutung. Während übliche großtechnische Stromerzeugungsanlagen die
Wärme nicht nutzen können und damit ca. 50 % der Gesamtenergie „verschenken“,
verwenden Biogasanlagen zur Energiegewinnung die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
Der Vorteil liegt darin, dass neben dem erzeugten Strom auch noch die Wärme genutzt und somit ein fast doppelt so hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird.
In Österreich werden fast ausschließlich Gasmotoren als KWK-Anlagen betrieben.
Eine neue Technologie ist die Mikrogasturbine, die langsam den Markt erobert. In
dieser Arbeit wird zuerst auf die Biogasqualität und ihre Anforderungen an die nachfolgende Verstromung eingegangen. Anschließend werden die verschiedenen Arten
von Blockheizkraftwerken beschrieben. Am Schluss der Arbeit steht der technische
und wirtschaftliche Vergleich zwischen dem Gasmotor und der Mikrogasturbine.
1.1 Ziele
Überblick über die Biogasentstehung
Biogas-Qualitätsparameter
Erklärung des Begriffes „Blockheizkraftwerk“
Beschreibung des Gasmotors und der Mikrogasturbine
technischer Vergleich zwischen Gasmotor und Mikrogasturbine
Gegenüberstellung der Kosten
Erstellung eines Stärken-Schwächen-Katalogs
1.2 Nicht-Ziele
keine detaillierte Beschreibung einer Biogasanlage
keine Durchführung einer Wirtschaftlichkeitsberechnung
-1-
2
THEORETISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Biogas
2.1.1 Allgemeines
Unter Biogas versteht man das gasförmige Endprodukt aus dem bakteriellen Abbau
von organischem Kohlenstoff, das unter anaeroben Bedingungen (unter Luftabschluss) in feuchtem Milieu gebildet wird. Dieses Gas kann aufgrund seines Methangehaltes als Energieträger zur Strom- und Wärmegewinnung, aber auch als Treibstoff verwendet werden.
2.1.2 Entstehung von Biogas
Biogas entsteht in vier Teilschritten, die im Fermenter meistens zeitlich parallel ablaufen:
Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese.1
Ein vereinfachtes Schema der Biogaserzeugung wird in Abbildung 1 dargestellt. 1
Abbildung 1: Vereinfachtes Schema der Biogaserzeugung
Quelle: Linke, B.: Biogas, 2003
1
Linke, B.: Biogas, 2003
-2-
1. Stufe – Hydrolyse
In der Hydrolyse-Phase spalten anaerobe Mikroorganismen die Substrate, die aus
Fett, Eiweiß und Kohlenhydraten bestehen, in die Grundbausteine Fettsäuren und
Glycerin, Aminosäuren und Zucker auf.
2. Stufe – Acidogenese
In der Acidogenese werden die Produkte der Hydrolyse in kurzkettige organische
Säuren und Alkohole zerlegt. Dabei werden bereits die ersten Gase gebildet.
3. Stufe – Acetogenese
In der Acetogenese, die auch Essigsäurebildung genannt wird, werden die kurzkettigen organischen Säuren und Alkohole in Essigsäure (CH3COO), Kohlendioxid (CO2)
und Wasserstoff (H2) zerlegt.
4. Stufe – Methanogenese
Die Methanogenese ist die vierte und letzte Phase im Prozess der Biogasbildung.
Hier wird primär die Essigsäure zu Methan (CH4) und CO2 umgewandelt, ein geringerer Methananteil wird direkt aus dem Wasserstoff gebildet.
2.1.3 Zusammensetzung von Biogas
Die Hauptbestandteile von Biogas sind Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf.
Weiters sind auch noch Spuren von anderen Inhaltsstoffen enthalten.2 Die Gasqualittät wird im Wesentlichen durch die Zusammensetzung der eingesetzten Substrate
beeinflusst. In Tabelle 1 ist die übliche Zusammensetzung von Biogas dargestellt. 2
Zusammensetzung von Biogas
Methan
40–75 %
Sauerstoff
0–2 %
Kohlendioxid
25–55 %
Wasserstoff
0–1 %
Wasserdampf
0–10 %
Ammoniak
0–1 %
Schwefelwasserstoff
0–1 %
Stickstoff
0–5 %
Tabelle 1: Biogaszusammensetzung
Quelle: GE Jenbacher: Gaszusammensetzung, 2005
Um die Blockheizkraftwerke vor Korrosion durch H2S oder Ammoniak zu schützen,
müssen diese Konzentrationen bei Bedarf verringert werden.
2
GE Jenbacher: Gaszusammensetzung, 2005
-3-
2.1.4 Substrate für Biogasanlagen
Der Großteil der österreichischen Biogasanlagen verwendet Energiepflanzen in
Kombination mit geringen Mengen Rinder-, oder Schweinegülle als Ausgangssubstrat. Unter Energiepflanzen versteht man Pflanzen, die ausschließlich zur Energiegewinnung angebaut werden und nicht als Nahrungsmittel dienen. Hier wird vor allem Maissilage eingesetzt, da sie einen sehr hohen Biomasse- und Biogasertrag liefert. Weitere Energiepflanzen sind Getreide und Gräser, die ebenfalls hohe Biomasseerträge je Hektar ermöglichen. Neben Energiepflanzen können Abfälle, wie zum
Beispiel Altfett, Fettabscheider, Bioabfälle, Grünschnitt, etc. vergoren werden.33
In Abbildung 2 werden die spezifischen Gaserträge und Methangehalte verschiedener Substrate dargestellt.
Abbildung 2: Biogaserträge verschiedener Substrate
Quelle: FNR: Biogas – eine Einführung, 2006
Die Qualität des Biogases richtet sich hauptsächlich nach der Höhe des Methangehaltes. Dies liegt daran, dass ein hoher Methananteil gleichzeitig einen hohen Heizwert bedeutet, da CO2 und Wasserdampf energetisch nicht genutzt werden können.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, liegen die Methangehalte zwischen 40 % und 75 %
pro Nm³ Biogas.
3
FNR: Biogas – eine Einführung, 2009
-4-
2.1.5 Biogas-Qualitätsparameter
Die Biogasqualität wird durch einige Parameter bestimmt, die die Brenneigenschaften des Biogases beschreiben.44
2.1.5.1 Heizwert-Brennwert
Der Heizwert gibt die maximal nutzbare Wärmemenge einer Verbrennung ohne Kondensationsenergie des im Gas enthaltenen Wasserdampfes an, während der Brennwert die Kondensationsenergie berücksichtigt. Das Verhältnis von Methan zum
Heizwert ist 10:1. Somit weist beispielsweise Biogas mit einem Methangehalt von
50 % einen Heizwert von 5 kWh auf. Ein Normkubikmeter Biogas (1 Nm3 = 1 m³ Gas
bei einer Temperatur von 0 °C, einem Druck von 1.013,25 mbar und 0 % Luftfeuchtigkeit) hat somit cirka denselben Heizwert wie 0,6 Liter Erdöl oder 0,5 Nm3 Erdgas.3
2.1.5.2 Gemischheizwert
Der Gemischheizwert gibt den Heizwert eines aus Brennstoff und Verbrennungsluft
bestehenden Gasgemisches an.
2.1.5.3 Methanzahl (MZ)
Die Methanzahl ist (analog zur Oktanzahl) ein Wert, der die Klopfeigenschaft (Eigenschaft des Gases, zum richtigen Zeitpunkt zu zünden und Fehlzündungen zu vermeiden) eines Gases angibt. Die Methanzahl errechnet sich aus dem volumetrischen
Mischungsverhältnis der Gaskomponenten und ihren spezifischen Methanzahlen.
Während Methan eine Methanzahl von 100 hat, besitzt Wasserstoff eine Methanzahl
von 0. Somit hat beispielsweise ein Gemisch von 60 % Methan und 40 % Wasserdampf eine Methanzahl von 60.4
2.1.5.4 Zündgrenze
Die Zündgrenze ist jene Temperatur, bei der ein Brennstoff zu brennen beginnt.4
2.1.5.5 Laminare Flammengeschwindigkeit
Diese Kennzahl gibt an, wie schnell sich die Flamme bei laminarer Strömung (kein
Auftreten von Verwirbelungen) ausbreitet und ist somit ein Parameter für die Geschwindigkeit der Verbrennung. Sie verringert sich mit Zunahme des Lambda-Wertes
(Verhältnis von zugeführter Verbrennungsluft zum Biogas).55
3
Dr. Herdin, G.: Gasmotoren – Grundlagen
5
Dr. Herdin, G.: Gasmotoren-Analyse
4
-5-
2.1.6 Biogasanforderungen
Für den Betrieb von Blockheizkraftwerken werden Anforderungen an das Biogas gestellt, um eine optimale Ausschöpfung der eingesetzten Ressourcen zu erzielen. In
Tabelle 2 sind diese Kriterien für Gasmotoren und Mikrogasturbinen aufgelistet.66
Biogasanforderungen für Blockheizkraftwerke
Parameter
Gasmotor
Mikrogasturbine
Methangehalt
> 40 %
> 30 %
Wasserstoff
0–5 %
0–5 %
Wasserdampf
0–5 %
0–5 %
Sauerstoff
0–5 %
0–10 %
Kohlendioxid
0–50 %
0–50 %
0–50 %
0–50 %
< 500 mg
< 300 mg
Stickstoff
-
Schwefelwasserstoff [mg Nm ³]
Tabelle 2: Biogasanforderungen für Blockheizkraftwerke
Quelle: B. Krautkremer: Anforderungen an die Qualität von Biogas, 2003
Die Hauptstörstoffe im Biogas sind Wasserdampf, da er in der Maschine zur Kondensatbildung führt und Schwefelwasserstoff, da er korrosiv wirkt. Durch diese Gasinhaltsstoffe können sich folgende Probleme ergeben:6
Startschwierigkeiten
Erosion
Druckschwankungen
Ausfall der Ventile
Korrosion
Verdichterprobleme
Zur Lösung dieser Probleme ist eine Biogasreinigung meist unerlässlich. Dazu gehört
die oxidative Biogasentschwefelung durch aerobe Mikroorganismen, oder die chemische Fällung des Schwefels durch Metallchloride. Zur Kondensation von Wasserdampf gibt es verschiedene Varianten:6
Kältetrocknung
Membranverfahren
Adsorption
Erwärmung
Überverdichtung und anschließende Expansion mit Wasserabscheider
5
6
Krautkremer, B.: Anforderungen an die Qualität von Biogas, 2003
-6-
2.2 Blockheizkraftwerke (BHKW)
2.2.1 Allgemeines
Ein Blockheizkraftwerk ist eine Anlage, die nach dem Prinzip der Kraft-WärmeKopplung (KWK) arbeitet. Dies bedeutet, dass die Zuführung von Energie zu einer
simultanen Gewinnung von Strom und Wärme führt. Die Art des Brennstoffes reicht
von herkömmlichen flüssigen Treibstoffen, wie Benzin und Diesel, bis hin zum gasförmigen Erd- und Biogas.37
Ein Blockheizkraftwerk umfasst folgende Komponenten:7
Verbrennungsmaschine
Sekundärkühlkreis
Generator inkl. Steuerung
Abgassystem
Primärkühlkreis
Brennstoffkontrollsystem
2.2.2 Funktionsprinzip
In Abbildung 3 ist die Funktionsweise einer Biogasanlage mit integriertem Blockheizkraftwerk dargestellt.
Abbildung 3: Schema Biogasanlage
Quelle: GE Jenbacher Internet, 01.11.09
3
7
DI Fröhlich, F.: Blockheizkraftwerke für Biogasanlagen, 2005
-7-
Am Beginn des Prozesses steht die Anlieferung der verwendeten Biomasse. In einer
Vorgrube werden die verschiedenen Substrate homogenisiert. Vor der Beschickung
des Faulturmes (Fermenter) wird jenes Material hygienisiert, das potentiell pathogene (krankheitserregende) Keime wie Salmonellen oder Listerien beinhalten kann
(Schlachtabfälle, Großküchenabfälle, etc.).
Im Fermenter beginnt der eigentliche Biogaserzeugungsprozess, der im Punkt
„2.1.2 Erzeugung von Biogas“ näher beschrieben ist. Das dabei entstehende Biogas
wird in einen Gasspeicher geleitet, der für eine gleichmäßige Gasbeschickung des
Blockheizkraftwerkes sorgt und Schwankungen in der Biogasproduktion ausgleicht.
Abbildung 4: Auf Fermenterdecke stehende Gasfackel
Quelle: Bala
Da Methan zu den Treibhausgasen (weitere Treibhausgase sind CO2, Lachgas,
FCKW und Wasserdampf) gehört, ist eine Gasfackel (oder auch ein Heizkessel) installiert, die in Abbildung 4 dargestellt ist. Diese dient zur Verbrennung von überschüssigem Biogas. Das vergorene Substrat aus dem Biogasprozess wird in Behältern (Endlager, Güllelagune) gelagert und zu den Vegetationszeiten als Dünger in
der Landwirtschaft eingesetzt.
-8-
2.2.3 Energiebilanz eines Blockheizkraftwerkes
In einem Blockheizkraftwerk wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt, um einen
Generator zur Stromerzeugung anzutreiben. Zur Kühlung wird beim Gasmotor Wasser verwendet, während die Mikrogasturbine luftgekühlt ist. Die darin enthaltene
Wärmeenergie kann zu internen und externen Heizzwecken verwendet werden.
In Abbildung 5 ist die Energiebilanz eines Blockheizkraftwerkes als sogenanntes
Sankey-Diagramm darstellt.88
Abbildung 5: Energiebilanz BHKW
WT 1: Gemisch-Wärmetauscher
Quelle: GE Jenbacher, Kraft-Wärme-Kopplung
mit Gasmotoren, 2009
WT 2: Öl-Wärmetauscher
WT 3: Motorkühlwasser-Wärmetauscher
WT 4: Abgas-Wärmetauscher
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass ca. 40 % der im Biogas enthaltenen Bruttoenergie in Strom umgewandelt wird, während 50 % als nutzbare Wärme vorliegt. Für
eine optimale Energienutzung ist somit die Verwertung der Wärme entscheidend.
Der Verlust von 10 % setzt sich aus Generator-, Wärmetauscher- und Strahlungsverlusten, sowie dem nicht nutzbaren Anteil der Abgaswärme zusammen und kann daher nicht vermieden werden.
8
GE Jenbacher: Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasmotoren
-9-
2.2.4 Wirtschaftlichkeitsfaktoren
Die Auswahl des Blockheizkraftwerkes ist eine der Hauptschwierigkeiten bei der
Stromerzeugung mit Biogas. Jedes bringt spezifische Vor- und Nachteile mit sich, die
individuell abgewogen werden müssen.
Für die Wahl sollte das Aggregat folgende Anforderungen erfüllen:9 9
günstiger Preis
hoher mechanischer Wirkungsgrad
geringe Abgasemissionen
Unempfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, H2S und anderen Spurenstoffen
lange Lebensdauer
lange Serviceintervalle
einfache Wartung
schnelle Ersatzteilversorgung
Abbildung 6: 200 kW Mikrogasturbine
Quelle: Bala
Im Vordergrund stehen primär eine lange Lebensdauer sowie ein hoher Wirkungsgrad.
9
Eder, Schulz: Biogas Praxis, 2006
-10-
2.2.5 Blockheizkraftwerkarten
Für die Energiegewinnung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl:
GASMOTOR:
Gasmotoren sind Blockheizkraftwerke, die in den Varianten
Ottomotor und Dieselmotor betrieben werden. Dabei wird ein
Kraftstoffgemisch in einer Brennkammer verbrannt und die
freiwerdenden Kräfte werden über Kolben auf eine Welle übertragen. Diese treibt einen Generator an, der dadurch Strom
erzeugt. Die Abgaswärme wird zur Heißwassererzeugung in
Gebäuden genutzt.10
Abbildung 7: Gasmotor Jenbacher
Quelle: Novatech GmbH, BHKWs, 2009
ZÜNDSTRAHLMOTOR:
Das Funktionsprinzip des Dieselzündstrahlmotors ist das gleiche wie das des Gasmotors mit dem Unterschied, dass er ein
Selbstzünder ist. Daher benötigt er zusätzlich zum Biogas
noch Diesel, oder Biodiesel als Zündungsauslöser.5
Abbildung 8: Zündstrahlmotor Schnell
Quelle: Novatech GmbH, BHKWs, 2009
MIKROGASTURBINE:
Mikrogasturbinen sind sehr kleine Hochgeschwindigkeitsturbinen, bei denen Turbine, Verdichter und Generator auf einer
Welle sitzen. Durch die Verwertung des Brennstoffgemisches
wird die Turbine angetrieben und somit Strom erzeugt. Parallel
dazu wird die Abgaswärme zur Vorwärmung des Verbrennungsgases verwendet.11 10
Abbildung 9: Mikrogasturbine Capstone
Quelle: VTA Engineering und Umwelttechnik GmbH
Internet, 09.10.2009
5
Bioenergie Serviceagentur, 2009
11
VTA Engineering und Umwelttechnik GmbH, 2009
10
-11-
2.3 Gasmotor
2.3.1 Geschichte
Die Erfindung des Gasmotors reicht ins 18. Jahrhundert zurück. Im Jahr 1791 untersuchte John Barber als Erster die Wirkungsweise eines mit Gas betriebenen Motors.
Drei Jahre später entwickelte Robert Street eine Kolbenmaschine, die Teeröle und
Terpentine vergaste und anschließend verbrannte. Als nächstes baute Philippe
Lebon eine Maschine, deren Kraftstoff Leuchtgas war. Dabei wurde Luft und Gas
durch zwei Pumpen in eine Vorlage gepresst, entzündet und die dabei freiwerdende
Kraft zum Antreiben eines Zylinders genutzt.1011
Der Durchbruch des Gasmotors gelang jedoch erst nach der Erfindung von Étienne
Lenoir im Jahre 1860. Nach einer Werbekampagne stieg der Absatz dieser Maschinen rasch an und es wurde die Société Lenoir zum Bau von Gasmotoren gegründet.
Trotz hoher Unterhaltskosten der Motoren blieb die Nachfrage enorm, da das Motorgeräusch sehr leise war. Im Jahre 1867 stellte Nikolaus Otto seinen Gasmotor auf
der zweiten Pariser Weltausstellung aus, den er immer weiter entwickelte und der bis
heute die größte Verbreitung gefunden hat.10
2.3.2 Aufbau
Im Gegensatz zur Gasturbine ist der Gasmotor wie der Hubkolbenmotor (Antrieb der
Welle mithilfe eines Kolbens) aufgebaut. Dabei gibt es wie in der Automobilbranche
sowohl die Möglichkeit der Fremdzündung (Zündung des Gasgemisches durch eine
Zündkerze) als auch die der Selbstzündung (Zündung des Gasgemisches durch Zufuhr von Zündöl).5
Die Verwendung von qualitativ hochwertigem Biogas weist höhere Wirkungsgrade
und eine gute Abgasbilanz auf. Jedoch muss auf einige Spurenstoffe im Biogas (H2S,
Phosphorverbindungen) ein besonderes Augenmerk gerichtet werden, da diese ansonsten im Motor oder im Abgassystem zu Korrosion führen. Zur Abgasreinigung
müssen die Motoren mit Oxidationskatalysatoren zur Reduktion von Kohlenmonoxid
sowie einer Ammoniak-Injektion zur Stickoxid-Reduktion ausgestattet sein.5
5
Bioenergie Serviceagentur, 2009
10
-12-
2.3.3 Funktion
Es gibt verschiedene Arten von Gasmotoren, die jedoch alle nach dem Schaltbild arbeiten, das in Abbildung 10 dargestellt ist:512
1-2: Mischung
1
2
3
4
2-3: Verdichtung
5
3-4: Leistungsregelung
4-5: Kühlung
6
5-6: Verbrennung
Abbildung 10: Schaltbild Gasmotor
Quelle: Dr. Herdin, G.: Gasmotoren-Analyse
Vor dem Gasmotor wird ein Luft-Brennstoff-Gemisch in einem bestimmten Verhältnis
hergestellt (1-2). Danach wird das Zündgemisch zur Leistungssteigerung in einem
Turbolader verdichtet (2-3). Dieser überbrückt das hohe Luft/Kraftstoffverhältnis. Ein
großer Unterschied zur Gasturbine liegt darin, dass der Brennstoff nicht auf einen
Druck im bar-Bereich (zwischen 4 und 6 bar) verdichtet werden muss, sondern eine
Verdichtung auf ca. 100 mbar ausreicht.
Die Leistungsregelung erfolgt einerseits über einen Turboladerbypass, andererseits
über die Drosselklappe (3-4). Der Turboladerbypass ist ein elektronisch gesteuertes
Ventil, das eine gezielte Gemischrückführung ermöglicht. Mithilfe der Drosselklappe
kann die zugeführte Gasmenge dosiert werden.1213
Da sich das Zündgemisch durch die Verdichtung bzw. Drosselung erwärmt, wird es
mit dem Gemischkühler auf die optimale Betriebstemperatur gebracht (4-5). Danach
wird es vor den Zylinder injiziert, komprimiert und mithilfe einer Zündkerze verbrannt
(5-6). Die im entstandenen Abgas enthaltene Wärme wird über einen AbgasWärmetauscher gewonnen, dann verlässt die Abluft den Motor (6).5
5
GE Jenbacher: Baureihe 4, 2009
12
-13-
2.3.4 Ottomotor
Das Gasottomotor ist für den Einsatz mit Biogas sehr weit entwickelt und weist mittlerweile annähernd gleiche Wirkungsgrade wie der Dieselmotor auf.5 14
Abbildung 11 zeigt den Gasmotor der Firma Jenbacher, der in der Biogasanlage
Wallsee eingesetzt wird. Dieser V12-Motor hat je 6 Zylinder in Reihe und besitzt eine
Leistung von 625 kW el. Zur Motorkühlung wird Wasser mit einer Eintrittstemperatur
von 70 °C verwendet. Dabei erwärmt es sich um 20 °C und steht mit einer Temperatur von 90 °C als Wärme zur Verfügung.
Abbildung 11: Gasmotor Jenbacher V12 625 kW in Wallsee, 19.10.09
Hersteller von Gasmotoren
Da der Motor bereits im 18. Jahrhundert entwickelt wurde, gibt es eine Vielzahl von
Herstellern. Die wichtigsten Erzeuger von Gasmotoren sind unter anderem:
GE Jenbacher
MWM
Caterpillar
MAN
MTU Friedrichshafen
Ford
5
-14-
2.3.5 Zündstrahlmotor
Eine neue Entwicklung ist die Verwendung eines Dieselzündstrahlmotors zur Biogasverstromung. Dieser Motor wird vor allem dann eingesetzt, wenn das verwendete
Biogas einen CO2-Gehalt über 40 % enthält. Bei einem Methangehalt über 55 % wird
der Gasmotor bevorzugt. CO2-Gehalte über 40 % bewirken eine langsamere
Verbrennung, während viel Methan zu einer schnellen Zündung führt.7
1-2: Mischung
2-3: Verdichtung
1
3
2
3-5: Kühlung
5
4-5: Einspritzung
5-6: Verbrennung
6
Abbildung 12: Schaltbild Zündstrahlmotor
4
Das Funktionsprinzip, das in Abbildung 12 dargestellt ist, ist das gleiche wie das des
Ottomotors mit dem Unterschied, dass der Dieselmotor ein Selbstzünder ist. Hier
wird ein Luft-Brennstoff-Gemisch in einem bestimmten Verhältnis hergestellt (1-2)
und zur Leistungssteigerung verdichtet (2-3). Das durch die Verdichtung erwärmte
Gasgemisch wird im Gemischkühler auf Betriebstemperatur abgekühlt (3-5). Anschließend wird das Luft/Gasgemisch durch die Ansaugventile in die Brennkammer
gesaugt und durch den Zylinder komprimiert.
Bei maximaler Kompression wird durch die Einspritzpumpe zusätzlich eine bestimmte Menge Zündöl (10–15 % Diesel oder Biodiesel) in die Brennkammer injiziert (4-5),
welches das Gasgemisch entzündet und verbrennt (5-6). Die im Abgas enthaltene
Energie wird über einen Abgas-Wärmetauscher gewonnen, danach verlässt die Abluft den Motor (6).15
Durch die gemeinsame Verbrennung von Luft, Flüssigkeit und Gas können die Abgasgrenzwerte für Gasmotoren nicht eingehalten werden, auf die im Kapitel „2.5 Abgasemissionen“ näher eingegangen wird.5
5
7
DI Fröhlich, F.: Blockheizkraftwerke für Biogasanlagen, 2005
-15-
2.3.6 Vergleich Ottomotor – Zündstrahlmotor
Tabelle 3 beinhaltet einen Vergleich zwischen dem Ottomotor und dem Zündstrahlmotor. Dabei werden die wesentlichsten Merkmale der Aggregate verglichen.9
Vergleich von Motorbauart und Verbrennungsverfahren
Merkmal
Gasottomotor
Zündstrahlmotor
Preis
Niedrig
Hoch
elektrischer Wirkungsgrad [%]
25–40
30–40
Lebensdauer
Niedrig
Mittel
Geräusch
Mittel
Stark
Rußbildung
Nein
Ja
Wartung
Hoch
Hoch
Zündölverbrauch
Nein
Ja
Benzin
Heizöl, Diesel,
Pflanzenöl
Ersatzkraftstoff bei
Biogasausfall
Tabelle 3: Merkmale verschiedener Motoren
Quelle: Eder, Schulz: Biogas Praxis, 2006
Ein großer Nachteil von Zündstrahlmotoren liegt in der Russbildung. Dies hat zur
Folge, dass der Wärmeübergang im Abhitzekessel gestört wird. Die Russbildung
führt auch zu einer erheblichen Beanspruchung des Luftfilters, was wiederum einen
größeren Wartungsaufwand sowie höhere Abgasemissionen mit sich zieht. Dies ist
die Hauptursache für die Gebäudeverunreinigung von Biogasanlagen.5 16
5
9
-16-
2.4 Mikrogasturbine
2.4.1 Geschichte der Gasturbine
Die Idee der Gasturbine fand bereits im Jahre 1791 durch John Barber, der auch als
Erfinder des Gasmotors gilt, seinen Ursprung. Jedoch werden Gasturbinen wegen
der hohen technischen Anforderungen erst seit etwa 50 Jahren technisch marktfähig
produziert. Für die bisher verwendete Technologie, nämlich dem Gasmotor in seinen
Varianten Otto- und Dieselmotor bzw. Dampfturbine, bedeutete dies einen ernstzunehmenden Rivalen. In der Luftfahrt hat sie die großen Flughöhen und Geschwindigkeiten (bis zur mehrfachen Schallgeschwindigkeit) möglich gemacht und somit dort
den Ottomotor total verdrängt.13 17
Die Weiterentwicklung der Gasturbine war damit aber noch lange nicht abgeschlossen:
Im Jahr 1993 wurde die erste Mikrogasturbine von der Firma Capstone Turbine
Corporation gebaut. Der Grund dafür war das amerikanische Militär, für das ein
sowohl leichter als auch leistungsfähiger Stromerzeuger entwickelt werden sollte.
Als Grundlage dafür diente die Turboladertechnologie.14
1996 wurde die Beta-Version der 30 kW Mikrogasturbine eingeführt.
2000 wurde aufgrund des wachsenden Leistungsbedarfs die erste 60 kW Maschine eingeführt.
Im Jahr 2002 wurde die tausendste Mikrogasturbine in Betrieb genommen.
2006 wurde die 60 kW Mikrogasturbine durch die 65 kW Maschine ersetzt. Weiters wurde die 65 kW Maschine auch für den Betrieb mit Biogas entwickelt.
2009 wurde schließlich die Markteinführung der 200 kW Mikrogasturbine gefeiert.
Heutzutage dient die Mikrogasturbine zur Erzeugung von Wärme und Strom in der
dezentralen Energieversorgung.11
11
VTA Engineering und Umwelttechnik GmbH, 09.10.2009
Bohl: Strömungsmaschinen 1, 1998
14
E-quad Power Systems, 09.10.2009
13
-17-
2.4.2 Aufbau
Die Hauptbestandteile der Mikrogasturbine sind der Verdichter, der Rekuperator, der
Brenner, die Turbine und der Generator. Der Aufbau ist in Abbildung 13 dargestellt.11
Abbildung 13: Aufbau einer Mikrogasturbine
Quelle: VTA Engineering und Umwelttechnik GmbH, 09.10.09
Alle sich drehenden Bestandteile (der Verdichter, die Turbine und der Generator) der
Mikrogasturbine liegen auf einer Welle. Diese Welle ist luftgelagert, somit werden
keine Kühl- und Schmierflüssigkeiten benötigt. Dadurch reduzieren sich der Wartungsaufwand und der Platzbedarf erheblich. Die von der Firma Capstone garantierte
Lebensdauer beträgt 80.000 Betriebsstunden.11
Die Besonderheiten der Mikrogasturbine sind:1518
Verdichter-Turbine-Einheit (Getriebe meistens nicht notwendig)
Rekuperator, der den eintretenden Luftstrom durch die heißen Abgase vorwärmt
Luftlagertechnik
geringe Druckverhältnisse
Hochgeschwindigkeitsgeneratoren mit Permanentmagneten
11
15
DI G. Simader, DI H. Ritter, DI G. Benke, DI H. Pinter: Bericht Micro-KWK, 2004
-18-
2.4.3 Funktion
Abbildung 14 zeigt das Funktionsprinzip einer Mikrogasturbine anhand eines Schaltbildes.5
1-2: Verdichtung
2-3: Vorwärmung
3-4: Verbrennung
4-5: Expansion
5-6: Abkühlung
Abbildung 14: Schaltbild Mikrogasturbine
Die Verbrennungsluft fließt beim Eintritt am Generator vorbei, wodurch dieser gekühlt
wird. Anschließend wird sie verdichtet, da der erforderliche Druck in der Brennkammer zwischen 4 und 6 bar liegt (1-2). Dann tritt die Luft in den Rekuperator ein, in
dem sie durch die heißen Abgase vorgewärmt wird (2-3). In der Brennkammer wird
der Brennstoff mit der Verbrennungsluft gemischt und verbrannt (3-4). In der Turbine
wird das Verbrennungsgas entspannt, wodurch die Welle mit ihren Komponenten
angetrieben wird. (4-5). Die noch heißen Abgase wärmen im Rekuperator die
Verbrennungsluft vor und verlassen danach die Mikrogasturbine (5-6). 19
Abbildung 15: Gaskühler der Mikrogasturbine
Quelle: Bala
5
-19-
In Abbildung 16 wird der Verlauf des Luftstromes dargestellt.
Abbildung 16: Luftweg in der Mikrogasturbine
Quelle: VTA Engineering und Umwelttechnik GmbH, 09.10.09
Mithilfe der Rekuperatortechnik können Wirkungsgrade von 25 % bis 33 % erzielt
werden. Durch die Vorwärmung der Luft wird in der Brennkammer weniger Brennstoff zum Erreichen der Betriebstemperatur benötigt. Daher sind höhere elektrische
Wirkungsgrade erreichbar.
Der sich auf der Welle befindende Permanentmagnet erzeugt einen hochfrequenten
Wechselstrom. Im Gegensatz zu Industriegasturbinen erfolgt die Leistungsregelung
über die Drehzahl. Der hochfrequente Wechselstrom wird in der Mikrogasturbine
über die Leistungselektronik gleichgerichtet und anschließend auf 50 Hz umgewandelt.11
2.4.4 Hersteller
Da die Mikrogasturbine eine neue Technologie ist, gibt es lediglich zwei wichtige
Hersteller:
Der unumstrittene Weltmarktführer ist die Firma Capstone in den USA.
Der zweitwichtigste Hersteller dieser Geräte ist die Firma Turbec in Italien. 20
11
-20-
2.5 Abgasemissionen
Durch die Verbrennung von Biogas entstehen hauptsächlich Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff. Weitere Nebenprodukte sind unter anderem Kohlenmonoxid,
Stickoxide, Schwefeldioxid, Formaldehyd und Kohlenwasserstoffe.9
Um die gesetzlich festgelegten Grenzwerte nicht zu überschreiten, werden die
Blockheizkraftwerke üblicherweise im Magermodus betrieben. Dies bedeutet, dass
Gasmotoren mit einem hohen Luftüberschuss betrieben werden.
In Abbildung 17 werden die Emissionsverläufe von Kohlenmonoxid, den Stickoxiden
und Kohlenwasserstoffen bei verschiedenen Lambda-Werten dargestellt.
Abbildung 17: Typische Emissionsverläufe
Dabei kann man erkennen, dass sich die Emissionen mit ansteigendem Lambda verringern und ein Optimum zwischen 1,2 und 1,6 erreichen. Die Abbildung zeigt auch,
dass sich die Stickoxidemissionen sehr stark reduzieren, je höher der Lambda-Wert
ist. Daher werden Gasmotoren meist in diesem Bereich betrieben.5 21
5
9
-21-
2.5.1 Emissionsgrenzwerte in Deutschland
Die gesetzlich festgelegten Grenzwerte für Deutschland sind in der Technischen Anleitung (TA)-Luft festgehalten und werden in Tabelle 4 aufgelistet.16
Emissionsgrenzwerte für Blockheizkraftwerke nach der TA-Luft
Emissionsgrenzwerte [mg m-³]
Luftschadstoff
Gasottomotor
Zündstrahlmotor
MGT
< 3 MW
> 3 MW
< 3 MW
> 3 MW
< 350 kW
CO
1000
650
2000
650
100
NOx
400
500
1000
500
150
SO2
350
350
350
350
-
Gesamtstaub
20
20
20
20
-
Formaldehyd
60
20
60
60
-
Tabelle 4: Emissionsgrenzwerte BHKW
Quelle: BMU: TA-Luft, 2002
Wie man der Tabelle entnehmen kann, sind für Blockheizkraftwerke kleiner 3 MW
und größer 3 MW Wärmeleistung unterschiedliche Emissionsgrenzwerte festgelegt.
Blockheizkraftwerke mit einer Gesamtfeuerungswärmeleistung von über 1 MW müssen diese Grenzwerte verbindlich einhalten, für kleinere Anlagenleistungen werden
diese als Richtwerte herangezogen. 22
Für die Mikrogasturbine sind eigene Emissionsgrenzwerte in der TA-Luft festgehalten. Diese sind deutlich niedriger als die der anderen Blockheizkraftwerkstypen, jedoch sind hier nur 2 Parameter von Bedeutung, nämlich Kohlenmonoxid und die
Stickoxide.16
16
BMU: TA-Luft, 2002
-22-
2.5.2 Emissionsgrenzwerte in Österreich
Im Gegensatz zu Deutschland gibt es in Österreich keine Unterscheidung zwischen
den verschiedenen Blockheizkraftwerktypen. Hier zählt einzig und allein die Leistung
des Blockheizkraftwerkes. 23
In Tabelle 5 werden die Emissionsgrenzwerte für die in Österreich betriebenen
Stationärmotoren aufgelistet.17
Empfohlene Grenzwerte gemäß Technischer Grundlage für
die Beurteilung von Emissionen aus Stationärmotoren
Emissionsgrenzwerte [mg m-³]
Luftschadstoff
< 250 kW BWL
(< 100 kWmech.)
≥ 250 kW BWL
(≥ 100 kWmech.)
NOx
-
400
CO
650
650
NMHC (Nicht-Methan-KW)
-
150
H2S
-
5
Tabelle 5: Österreichische Emissionsgrenzwerte für Stationärmotoren
Quelle: BMWA: Beurteilung-Biogasanlagen, 2003
Da Blockheizkraftwerke mit Diesel-Zündstrahlmotor diese Abgasgrenzwerte deutlich
überschreiten, findet diese Technologie in Österreich keine Anwendung. Somit werden ausschließlich Gas-Ottomotoren bzw. Mikrogasturbinen eingesetzt.
Ein Beispiel: In Deutschland dürfen Dieselzündstrahlmotoren mit einer maximalen
Stickoxidemission von 1.000 mg/m³ in Betrieb genommen werden. Der österreichische Emissionsgrenzwert von Stickoxiden liegt bei 400 mg/m³. Somit ist es in
Deutschland möglich, zweieinhalb Mal so viele Stickoxide als in Österreich zu emittieren!
17
BMWA: Beurteilung-Biogasanlagen, 2003
-23-
3
Vergleich Gasmotor – Mikrogasturbine
In diesem Abschnitt findet der technische und wirtschaftliche Vergleich zwischen
dem Gasmotor und der Mikrogasturbine statt. Als Basis dafür diente je ein Angebot
der Firma IET Service GmbH für einen MAN-Gasmotor mit 250 kW el sowie der Firma
Wels Strom GmbH für eine Mikrogasturbine der Firma Capstone mit 200 kW el.
3.1 Technischer Vergleich
3.1.1 Motor-Abmessungen
Abmessungen [m]
Gasmotor
Mikrogasturbine
3,8 x 1,8 x 2,2
3,7 x 1,7 x 2,5
Tabelle 6: Abmessungen
Die Abmessungen der beiden Blockheizkraftwerke, die in Tabelle 6 dargestellt sind,
sind fast ident. Der errechnete Volumsunterschied beträgt lediglich 0,7 m3 (der Gasmotor weist 15,0 m³ und die Mikrogasturbine 15,7 m³ auf).
3.1.2 BHKW-Fläche
Analog zu den Abmessungen gibt es auch bei der Fläche keinen großen Unterschied. Der Gasmotor benötigt mit seinen 6,84 m² geringfügig mehr Platz als die Mikrogasturbine mit ihren 6,29 m². Dies entspricht einem Unterschied von 8 %.
3.1.3 Gesamtfläche
Während der Gasmotor mit all seinen zusätzlich benötigen Komponenten in einen
Container integrierbar ist, benötigt die Druckerhöhung und die Gaskühlung der Mikrogasturbine mehr Platz. Durch die starke Wärmeentwicklung bei der Druckerhöhung
muss diese getrennt von der Mikrogasturbine ausgeführt werden, während dies beim
Gasmotor problemlos möglich ist.
3.1.4 Gewicht
Im Gegensatz zu den 4.850 kg des Gasmotors besitzt die Mikrogasturbine mit ihren
2.775 kg ein um 43 % geringeres Gewicht.
-24-
3.1.5 Aufstellungsart
Der Aufstellungsvergleich ergab, dass der Gasmotor in geschlossenen Räumen betrieben werden muss, um sowohl die Witterungseinflüsse (Temperaturunterschiede,
Feuchtigkeit, Verschmutzung, usw.) als auch Anrainerbeschwerden, die lärmbedingt
auftreten könnten, zu vermeiden. Auf die Schallemissionen wird im Punkt 3.1.22 näher eingegangen. Die Mikrogasturbine sollte nicht in Räumen aufgestellt werden,
sondern muss frei oder überdacht betrieben werden. Die Gründe liegen in der Temperatur und deren negativen Einfluss auf den elektrischen Wirkungsgrad und dem
Verbrennungsluftbedarf. Auf diese beiden Kennzahlen wird in den Punkten 3.1.11
und 3.1.17 genauer eingegangen.
3.1.6 Gemischkühler
Beim Gasmotor ist ein Gemischkühler eingebaut, der das durch die Komprimierung
erwärmte Luft-Brennstoff-Gemisch wieder auf Betriebstemperatur abkühlt. Die Mikrogasturbine beinhaltet keinen Gemischkühler, weil das Luft-Gas-Gemisch direkt in
der Ringbrennkammer zusammengemischt wird.
3.1.7 Notkühler
Im Gegensatz zur Mikrogasturbine benötigt der Gasmotor für seinen Betrieb einen
Notkühler, um überschüssige Motorabwärme vernichten zu können. Die Mikrogasturbine braucht diesen nicht, da die gesamte Wärme über die Abgastemperatur abgeführt werden kann.
3.1.8 Vordruck am Gaseintritt
Der Vordruck am Gaseintritt ist jener Druck, der unmittelbar vor der Brennkammer
herrscht. Dieser beträgt beim Gasmotor etwa 100 mbar, da der Zylinder den Druck
durch seine Gaskomprimierung erhöht. In der Mikrogasturbine wird das GasLuftgemisch auf etwa 5,2 bar verdichtet. Verglichen mit dem der Mikrogasturbine benötigt der Gasmotor lediglich einen Vordruck von 2 %, was sich auch auf den Eigenstrombedarf auswirkt.
-25-
3.1.9 Elektrischer Wirkungsgrad
Der elektrische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von elektrischer Leistung zur zugeführten Leistung.
elektrische Leistung [kW]
ηel = zugeführte Leistung [kW]
Beim Gasmotor beträgt er 38,82 %, bei der Mikrogasturbine 33 %. Dies bedeutet,
dass der Gasmotor einen um 15 % höheren Wirkungsgrad aufweist, welcher sich linear auf die benötigte Gasmenge auswirkt. Bei dieser Wirkungsgradbetrachtung
wurde der interne Energiebedarf für Vorverdichtung und andere benötigte Aggregate
nicht abgezogen. Die Auswirkungen der Blockheizkraftwerkbetriebsweise sind beim
Gesamtwirkungsgrad unter dem Punkt 3.1.11 näher beschrieben.
In Abbildung 18 wird der Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Wirkungsgrad
dargestellt.1824
Abbildung 18: Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Wirkungsgrad
Quelle: Dr. Herdin, G. R.: Stand der BHKW-Technik
Aus der Abbildung kann man ableiten, dass der elektrische Wirkungsgrad der Mikrogasturbine bei Lufttemperaturen von –20 °C bis ca. 15 °C konstant bleibt. Über 15 °C
sinkt er bei einem Temperaturanstieg von je 10 °C um ca. 2–3 %el.18
18
Dr. Herdin, G. R.: Stand der BHKW-Technik
-26-
3.1.10 Thermischer Wirkungsgrad
Der thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von thermischer Leistung zu zugeführter Leistung. Je höher der elektrische Wirkungsgrad ist, desto geringer wird der
thermische Wirkungsgrad, da die sonstigen Verluste gleich bleiben.
ηth =
thermische Leistung [kW]
zugeführte Leistung [kW]
Dieser beläuft sich beim Gasmotor auf 47,36 %, bei der Mikrogasturbine beträgt er
48,76 %. Eigentlich wäre zu erwarten, dass die Mikrogasturbine einen höheren thermischen Wirkungsgrad aufweist, da sie verglichen zum Gasmotor einen geringeren
elektrischen Wirkungsgrad hat. Jedoch ergab der Vergleich nur einen geringen Unterschied. Dieser geringe Unterschied lässt sich nur durch einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad der Mikrogasturbine erklären.
In Abbildung 18 wird die thermische Leistung des Gasmotors bei verschiedenen Abgastemperaturen dargestellt. Die Mikrogasturbine hat diese Möglichkeit nicht.
Abbildung 18: thermische Leistung des Gasmotors in kW
-27-
3.1.11 Gesamtwirkungsgrad
Der Gesamtwirkungsgrad ist die Summe aus elektrischem und thermischem Wirkungsgrad und wird in Abbildung 19 dargestellt. Beim Gasmotor beträgt er 86,18 %,
die Mikrogasturbine weist 81,76 % auf. Dieser Unterschied lässt sich durch die im
Punkt 3.1.10 abgeleiteten Abhängigkeiten erklären.25
Abbildung 19: Gesamtwirkungsgrad
Der Gesamtwirkungsgrad kann erhöht werden, indem das Abgas weiter abgekühlt
wird, wodurch sich der thermische Wirkungsgrad erhöht. Durch eine Abkühlung des
Abgases von 150 °C auf 120 °C können 12 kW gewonnen werden, was eine Gesamtwirkungsgraderhöhung um 1,86 % bedeutet.
18
Dr. Herdin, G. R.: Stand der BHKW-Technik
-28-
3.1.12 Teillastverhalten
Oft können Blockheizkraftwerke nicht mit 100 % der Leistung betrieben werden, da
nicht genügend Brennstoff bzw. Abnehmer zur Verfügung stehen.
In Abbildung 20 wird der elektrische Wirkungsgrad im Teillastbetrieb dargestellt.
Abbildung 20: elektrischer Wirkungsgrad im Teillastbetrieb
Wie deutlich erkennbar ist, weist der Gasmotor einen relativ linearen Wirkungsgradverlauf auf, während sich der Mikrogasturbinen-Verlauf nichtlinear verhält. Bei 75 %
Volllastbetrieb hat der Gasmotor einen elektrischen Wirkungsgradverlust von 1,32 %,
während die Mikrogasturbine bei 75 % Last keinen Verlust aufweist. Bei einem Volllastbetrieb von 50 % beträgt der Unterschied beim Gasmotor 2,48 %, bei der Mikrogasturbine beläuft er sich auf 1,57 %.
3.1.13 Mindestgasqualität
Für einen stabilen Betrieb benötigt der Gasmotor eine Mindestgasqualität von 4 kWh
pro Nm³. Im Vergleich dazu kann die Mikrogasturbine eine minimale Gasqualität
3 kWh pro Nm³ verwerten. Die Auslegung des Gasmotors erfolgte auf Basis eines
Mindestheizwertes von 6 kWh pro Nm³ (dies entspricht einem Methangehalt von
60 %), während das Einsatzgebiet der Mikrogasturbine im Bereich der Schwachgase
(3–6 kWh pro Nm³) liegt.
-29-
3.1.14 Spezifischer Kraftstoffverbrauch
Der verglichene Gasmotor benötigt eine Rohenergie von 2,48 kWh pro erzeugter
elektrischer kWh. In Gegensatz dazu benötigt die Mikrogasturbine 3,03 kWh. Dieser
Unterschied von 18,16 % ist durch den elektrischen Wirkungsgrad bedingt.
3.1.15 Füllmenge Öl
Der Betrieb eines Gasmotors erfordert immer den Einsatz von Mineralöl zur Schmierung des Kolbens, da dieser ansonsten aufgrund der Reibung „verreibt“. Der Gasmotor hat eine Füllmenge von 70 Liter Mineralöl. Bei der Mikrogasturbine kann auf die
Ölschmierung verzichtet werden, da die Welle luftgelagert ist, was sich erheblich auf
den Wartungsaufwand und somit auf die Wartungskosten auswirkt. Dies wird im
Punkt 3.2.4 näher erläutert.
3.1.16 Schmierölverbrauch
Der spezifische Schmierölverbrauch beläuft sich beim Gasmotor auf 0,5 g pro kWh,
dies entspricht einem Stundenverbrauch von 3 g pro Stunde bzw. ca. 26 kg pro Jahr.
Da die Mikrogasturbine kein Schmieröl benötigt, fällt kein Verbrauch an.
3.1.17 Benötigte Verbrennungsluftmenge
Für die Verbrennung wird eine bestimmte Luftmenge benötigt, die sich aus dem
Lambda-Wert errechnen lässt. Der Gasmotor hat einen stündlichen Luftbedarf von
912 Nm³, was eine Luftmenge von 3,65 Nm³ pro kWh bedeutet. Die Mikrogasturbine
hingegen benötigt 4.418 Nm³ pro Stunde, was einer Luftmenge von 22,09 Nm³ pro
kWh entspricht. Somit benötigt die Mikrogasturbine pro erzeugter elektrischer kWh
fast fünfmal mehr Verbrennungsluft (+ 484 %).
-30-
3.1.18 Abgasemissionen und Abgasmassenstrom
Der Vergleich der Abgasemissionen ergab, dass der Gasmotor im Gegensatz zur
Mikrogasturbine hohe Abgasemissionen aufweist. Diese Emissionen sind in
Tabelle 7 aufgelistet.
Abgasemissionen [mg m-3]
Gasmotor
Mikrogasturbine
CO
650
50
NOx
250
18
Abgasemissionen [g h-1]
CO
665
181
NOx
256
65
Tabelle 7: Abgasemissionen
Abbildung 21 ist die grafische Darstellung der Abgasemissionen in g/h.
Abbildung 21: Abgasemissionen CO und NOx
Wie deutlich erkennbar ist, liegen die Abgaswerte des Gasmotors erheblich über denen der Mikrogasturbine. Die CO-Emission liegt um + 367 %, die NOx-Werte sind um
+ 394 % über den Werten der Mikrogasturbine.
-31-
3.1.19 Abgasmassenstrom
In Abbildung 22 wird der Abgasmassenstrom von Gasmotor und Mikrogasturbine
dargestellt.
Abbildung 22: Abgasmassenstrom in kg/kWhel
Der Gasmotor emittiert einen trockenen Abgasmassenstrom von 1.206 kg pro Stunde (4,8 kg pro kWh). Im Vergleich dazu beläuft sich der Abgasmassenstrom der Mikrogasturbine trotz geringerer elektrischer Leistung auf 4.680 kg pro Stunde (pro kWh
etwa 23,4 kg). Somit hat die Mikrogasturbine, verglichen mit dem Gasmotor, einen
fast fünfmal höheren Abgasmassenstrom (+ 488 %), was sich durch den hohen
Verbrennungsluftbedarf (+ 484 %, siehe Punkt 3.1.17) erklären lässt.
3.1.20 Warmwasserkreislauf
Der Vergleich des Warmwasserkreislaufes ergab, dass der Gasmotor mit einer Vorlauf/Rücklauftemperatur von 90/70 betrieben wird, während bei der Mikrogasturbine
ein Wärmeniveau 80/60 üblich ist.5 Der Grund dafür sind vor allem die unterschiedlichen Abgastemperaturen (siehe 3.1.21). Dies ist vor allem für die Fernwärmenutzung
limitierend, da dafür Temperaturen von 85–95 °C erreicht werden müssen.
-32-
3.1.21 Abgastemperatur
Im Abgas sind beim Gasmotor ca. 50 % und bei der Mikrogasturbine 100 % der
thermisch nutzbaren Energie enthalten. Die Differenz zwischen Abgaseintritts- und
Abgasaustrittstemperatur wird mithilfe eines Wärmetauschers in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt. In Abbildung 23 werden die Abgastemperaturen der beiden
Blockheizkraftwerke dargestellt. Wie deutlich erkennbar ist, beträgt die im Abgas
enthaltene Restwärme etwa ein Drittel der ursprünglichen Wärme.
470
280
Abbildung 23: Abgastemperaturen
3.1.22 Schallemissionen
Der Vergleich der Schallemissionen ergab, dass die Betriebslautstärke des Gasmotors mit 98 dB weit höher liegt als die der Mikrogasturbine mit 75 dB. Dies trifft aber
nur bei frei aufgestellten Blockheizkraftwerken zu. Durch die Aufstellung im Gebäude
werden die Schallemissionen um mindestens 25 dB reduziert, da ein innen aufgestellter Gasmotor besser schallgedämmt werden kann.
3.1.23 Erfahrung mit Biogas
Die Gasmotor-Technologie verfügt mit mehr als 10 Jahren über eine längere Betriebserfahrungen als die Mikrogasturbine. Sie wird erst seit etwa 5 Jahren im Bereich Klärgas eingesetzt, bei Biogas liegen praktisch keine Betriebserfahrungen vor.26
5
-33-
3.2 Wirtschaftlicher Vergleich
3.2.1 Anschaffungskosten Blockheizkraftwerk
Der Vergleich der beiden Angebote ergab, dass sich der Gasmotor und die Mikrogasturbine enorm in ihren Anschaffungskosten unterscheiden. Die anfallenden Kosten sind in Tabelle 8 aufgelistet.
Gasmotor
Mikrogasturbine
Anschaffungskosten BHKW [€]
120.000
171.800
Gesamtinvestitionskosten [€]
198.820
335.219
795
1.676
Gesamtinvestitionskosten pro kW [€ kW -1]
Tabelle 8: Investitionskosten
In Abbildung 24 werden die Blockheizkraftwerk-Anschaffungskosten einander gegenübergestellt.
Abbildung 24: Anschaffungskosten
Während sich die Anschaffungskosten der Mikrogasturbine auf € 171.800 belaufen,
ist der Gasmotor mit € 120.000 um ca. 30 % günstiger.
-34-
3.2.2 Gesamtinvestitionskosten
Abbildung 25 ist die Gegenüberstellung der gesamten Investitionskosten inkl. Transport, Aufstellung und Inbetriebnahme.
Abbildung 25: Gesamtinvestitionskosten
Auch hier ergeben sich enorme Unterschiede. Während sich für den Gasmotor Gesamtkosten von € 198.800 ergeben, kostet die Mikrogasturbine € 335.219. Somit ist
sie insgesamt um 40,7 % teurer als der Gasmotor. Pro Kilowatt elektrischer Leistung
fallen beim Gasmotor mit € 795 um 47,45 % geringere Investitionskosten als bei der
Mikrogasturbine mit € 1.676. Dies wird in Abbildung 26 dargestellt.
Abbildung 26: Gesamtinvestitionskosten pro kW el
-35-
3.2.3 Wartungsintervalle
Der Vergleich der beiden Blockheizkraftwerke in Hinblick auf die Wartungsintervalle
ergab keinen Unterschied. Laut den Angeboten wird sowohl der Gasmotor als auch
die Mikrogasturbine nach 8.000 Betriebsstunden gewartet.
3.2.4 Vollwartungskosten
In Tabelle 9 werden die Vollwartungskosten pro Betriebsstunde aufgelistet. Dies beinhaltet die Anreise- und Arbeitskosten des Servicearbeiters sowie die Ersatzteilkosten.
Gasmotor
Vollwartungskosten [€ h-1]
1,82
Mikrogasturbine
0,89
Tabelle 9: Wartungskosten
Diese Kosten werden in Abbildung 27 grafisch dargestellt.
Abbildung 27: Vollwartungskosten
Wie man der Abbildung entnehmen kann, ergab der Vergleich einen großen Unterschied. Während der Gasmotor mit € 1,82 pro Betriebsstunde hohe Kosten verursacht, ist die Mikrogasturbine mit € 0,89 um 51,1 % günstiger. Dieser Kostenvorteil
spricht eindeutig für die Mikrogasturbine.
-36-
3.3 Zusammenfassung
Tabelle 10 ist eine Zusammenfassung über den technisch-wirtschaftlichen Vergleich.
Vergleich Gasmotor – Mikrogasturbine
Technisch
Gasmotor
Mikrogasturbine
3,8 x 1,8 x 2,2
3,7 x 1,7 x 2,5
BHKW-Fläche [m ]
6,84
6,29
Gewicht [kg]
4.850
2.775
Aufstellungsart
innen
außen
ja
nein
Vordruck am Gaseintritt [mbar]
100
5.170
elektrischer Wirkungsgrad [%]
38,82
33,00
thermischer Wirkungsgrad [%]
47,36
48,76
Gesamtwirkungsgrad BHKW [%]
86,18
81,76
6
3-6
2,48
3,03
Füllmenge Öl [l]
70
0
Schmierölverbrauch [g kWh-1]
0,5
0
benötigte Luftmenge [Nm3 h-1]
912
4.418
Abgasemissionen CO [mg h-1]
665
181
Abgasemissionen NOx [mg h-1]
256
65
1.206
4.680
470/150
280/87
Schallemissionen [dB]
98,6
75
Warmwasserkreislauf [°C]
90/70
80/60
> 10 Jahre
< 5 Jahre
120.000
171.800
198.820
335.219
795
1.676
8.000
8.000
1,82
0,89
Abmessungen [m]
2
Gemischkühler, Notkühler
Mindestgasqualität [kWh Nm-3]
spez. Kraftstoffverbrauch [kWh kWh-1]
Abgasmassenstrom trocken [kg h-1]
Abgastemperaturen WT [°C]
Erfahrungen mit Biogas
Wirtschaftlich
Anschaffungskosten BHKW
Gesamtinvestitionskosten [€]
-1
Gesamtinvestitionskosten pro kW [€ kW ]
Wartungsintervalle [h]
-1
Vollwartungskosten [€ h ]
Tabelle 10: Vergleich Gasmotor – Mikrogasturbine
-37-
3.4 Stärken-Schwächen-Katalog
In Tabelle 11 wird ein Stärken-Schwächen-Katalog dargestellt. Diesem liegen die Ergebnisse des Gasmotor-Mikrogasturbine-Vergleiches zugrunde.
Stärken-Schwächen-Katalog
Gasmotor
Mikrogasturbine
Vorteile
höherer elektrischer Wirkungsgrad
lange Lebensdauer
niedriger Vordruck
Schwachgasbetrieb möglich
hohe Verbrennungstemperatur
niedrige Mindestqualität
unempfindlicher gegenüber:
unempfindlicher gegenüber H2S
− Temperaturänderungen
sehr geringe Abgasemissionen
− Druckänderungen
geringere Schallemissionen
niedrigere Investitionskosten
geringere Betriebskosten
geringere Wartungskosten
keine Schmiermittel
Nachteile
hohe Mindestgasqualität
niedriger elektrische Wirkungsgrad
höhere Betriebskosten
hoher Druck
höhere Wartungskosten
niedrige Verbrennungstemperatur
Schmiermittelbedarf
hohe Investitionskosten
höhere Abgasemissionen
höherer Gasverbrauch
hohe Schallemissionen
Tabelle 11: Stärken-Schwächen-Katalog
Prinzipiell kann nicht zu 100 % festgelegt werden, wann welches Blockheizkraftwerk
eingesetzt werden soll, da jede Maschine spezifische Vor- und Nachteile besitzt. Für
die richtige Wahl müssen die Mindestanforderungen für das entsprechende Einsatzgebiet abgedeckt sein. Danach wird zwischen den Vor- und Nachteilen ein Kompromiss geschlossen und das lukrativste Blockheizkraftwerk in Betrieb genommen.
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ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Der Großteil der heute betriebenen Biogasanlagen verwendet den Gasmotor, während die Mikrogasturbinen-Technologie noch relativ neu ist. Diese beiden Arten von
Blockheizkraftwerken wurden miteinander verglichen und es ergaben sich folgende
Ergebnisse:
Die Vorteile der Mikrogasturbine liegen neben den geringen laufenden Betriebs- und Wartungskosten in der langen Lebensdauer und den sehr geringen
Abgasemissionen. Auch der Einsatz bei Schwachgasen sowie ihre Unempfindlichkeit gegenüber Gasschwankungen und H2S sprechen für sie. Für ihren
Betrieb benötigt sie keine Schmiermittel, jedoch werden all diese Vorteile
durch den niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad, den höheren Gasverbrauch
und die relativ hohen Investitionskosten abgeschwächt.
Beim Gasmotor liegen die Vorteile im höheren elektrischen Wirkungsgrad sowie seiner Unempfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Druckschwankungen. Weitere Vorteile sind der niedrige Vordruck, die hohen Betriebstemperaturen und die relativ niedrigen Investitionskosten. Die hohen Betriebs- und
Wartungskosten, der Schmiermittelbedarf und die höheren Schall- und Abgasemissionen sind jedoch zu beachtende Nachteile.
Bei der Biogasanlagenplanung wird die Mikrogasturbine zukünftig eine gute Alternative zum Gasmotor werden, wenn das Auswahlkriterium nicht nur der elektrische
Wirkungsgrad ist. Sie wird vielseitig eingesetzt werden, da sie im Gegensatz zum
Gasmotor die Möglichkeit zum Schwachgasbetrieb besitzt.
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LITERATUR
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Sonstige/Kap_1_bis_3.pdf
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Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (2009): Biogas – eine Einführung
(6. Auflage). Internet: www.fnr.de
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Internet: http://vkm-thd.tugraz.at/lehre/herdin08/Gasmotoren_Herdin_Status_08.pdf
Dr. Herdin, G. R.: Standesanalyse des Gasmotors im Vergleich zu den Zukunftstechniken.
Internet: images.energieportal24.de/dateien/downloads/gasmotoren-analyse.pdf
Krautkremer, B.: Anforderungen an die Qualität von Biogas beim Einsatz von Mikrogasturbinen. Internet: www.fnr-server.de/ftp/pdf/GF_21_Biogas/Krautkremer.pdf
DI Fröhlich, F. (2005): Blockheizkraftwerke für Biogasanlagen. Quelle: Bala
Firma GE Jenbacher: Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasmotoren, Quelle: Bala
Eder, B. und Schulz, H. (2006): Biogas Praxis, erweiterte Auflage
Bioenergie Serviceagentur (11.10.09).
Internet: gas-bhkw.bioenergie-serviceagentur.de/home.html
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Internet: http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/taluft.pdf
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (2003): Technische Grundlage für die
Beurteilung von Biogasanlage.
Internet: www.biogas-netzeinspeisung.at/downloads/beurteilung-biogasanlagen.pdf
Dr. Herdin. G. R. (2000): Incresasing Gas Engine Efficiency. Quelle: Bala
Kaltschmitt, Hartmann, Hofbauer (2009): Energie aus Biomasse: Grundlagen,
Techniken und Verfahren. 2. Auflage.
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Technisch-wirtschaftlicher Vergleich eines Gasmotors

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